水稻品种籼粳属性的鉴定方法研究

2016-01-12戚华雄查中萍

湖北农业科学 2015年24期

戚华雄　查中萍

摘要：水稻籼粳亚种间杂种优势的利用是提高水稻单产的重要途径之一，正确鉴别育种材料的籼粳属性是有效利用亚种间杂种优势的先决条件。多种方法可以检测籼粳分类，目前常用的有依赖于籼粳间形态性状变异的程氏指数法和基于DNA 序列差异进行分类的分子标记检测法。程氏指数法具有简便、易于观测和受环境条件影响大等特点，而分子标记检测法具有准确、可定量及对试验条件的要求相对较高等特点。在多数情况下，在籼粳亚种水平上程氏指数和分子标记检测分类结果趋于一致。

关键词：水稻（Oryza sativa L.）；籼粳鉴定；程氏指数；分子标记

中图分类号：S32；Q943；S511.032 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）24-6130-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.24.006

Abstract： Utilizing inter-subspecies heterosis of indica-japonica rice hybrids has been regarded as an important solution to further improve rice production. Correctly identifying the classification of indica-japonica of breeding materials is a prerequisite for taking advantage of inter-subspecies heterosis. There are a variety of technical methods to determine the classification of indica-japonica. Currently， the Chengs index and the molecular markers detection are two methods widely employed in the study. The former makes use of indica-japonicas variation of morphological features， and it is simple to operate and observe， but susceptible to environment； while the latter is based on the sequence difference of DNA， and it is accurate and quantifiable， but requires strict experimental conditions. In most cases， the classification results of the two methods are consistent with each other at subspecies level of Indica-Japonica.

Key words： rice； Indica-Japonica identification；Cheng′s index； Molecular marker

水稻（Oryza sativa L.）是中国最重要的粮食作物之一，水稻生产在中国农业生产、农民增收和农村经济发展中起着极其重要的作用。水稻单产的两次大的飞跃都是建立在突破性种质资源的发现和利用上，水稻矮化育种使稻谷单产增加20%～30%，杂交稻又使稻谷单产在矮化育种的基础上再次增产20%。进一步提高稻谷单产并实现水稻育种研究的全面突破，是保障国家粮食安全的重要举措。

目前生产上推广的杂交稻主要是利用品种间杂种优势和部分亚种间杂种优势。研究表明，亚种内品种间遗传多态性小，进一步利用的局限性较大。就提高杂种优势的程度而言，袁隆平[1]将杂交稻的发展分品种间杂种优势利用、亚种间杂种优势利用和远缘杂种优势利用三个阶段。程式华等[2]提出，实现“中国超级稻研究”目标的重要途径在于加大双亲的遗传差距，进行亚种间（籼稻与粳稻）、种间（栽培稻与野生稻）甚至属间（C 3与C 4植物）的基因交流。肖国樱等[3]对水稻籼爪交和粳爪交杂种优势的研究结果表明，亚种间杂种优势具有籼粳交>籼爪交>粳爪交>籼籼交>粳粳交的趋势。亚种间的杂种一代具有强大的杂种优势，但杂种的一般结实率偏低、子粒充实度差，这些问题制约了亚种间杂交稻的利用。经过多年不断的努力，近年来亚种间杂种优势利用的技术瓶颈获得重要突破，育种家通过选育特殊配合力晚粳型核质互作雄性不育和粳型不育系强恢的中籼型恢复系[4]，育成了甬优12、浙优18、春优84等一批综合性状优良的籼粳亚种间组合，为进一步提高水稻单产奠定了良好的基础。

目前国内外很多科研单位都在开展籼粳杂交育种，产生了大量的籼粳中间型材料。在实际育种工作中，要预先正确判别育种亲本的籼、粳属性，了解亲本的遗传信息，才能有效利用籼粳亚种间杂种优势。因此，将育种材料进行恰如其分的分类是籼粳亚种间杂种优势利用的基础，对合理和有效利用种质资源及品种改良具有重要的理论和实践意义。由于籼粳两亚种在形态、同工酶和DNA的多态性等都存在较大的差异，籼粳分类可采用形态变异、同工酶以及DNA分子标记等多种方法。本研究拟对常用的程氏指数法和分子标记检测法等进行介绍。

1 形态鉴定

鉴定籼、粳属性的传统方法主要是依赖于籼粳间形态性状的变异（如株高、粒型等），Kato（1928）最早提出用稃毛、粒形和杂交亲和性等进行籼粳稻的鉴别。此后，Oka（1958）评价了根据粒形、稃毛和叶毛的有无，以及对苯酚、次氯酸钾的反应来进行籼粳划分的可靠性，确定采用差别函数判别籼粳特性。程侃声等（1984）提出了以形态鉴定为基础的“程氏指数法”，即对稃毛、酚反应、第一、第二穗节间长、抽穗时壳色、叶毛及谷粒长宽比6个性状分别按0、1、2、3、4共5级进行评分，以综合评分作为分类的尺度（表1）[5]。程氏指数分4级，0-8为籼（H）、9-13为偏籼（H-）、14-17为偏粳（K-）、18-24为粳（K）。形态指数分类法具有以下重要特点，该法简便快速，所使用的6项分类指标易于观测鉴别，能在现场对单个样本的归属作出较准确的判断，重演率较高；采用综合性状来鉴别籼粳，基本上解决了中间类型的分类难题。该方法的缺点是，主要形态特征受环境影响较大，形态学指标的判别需要操作者具有一定的经验；被测水稻样品，从播种到成熟种植周期较长；该方法只能定性，而不能定量。程氏指数法长期以来广泛应用于籼粳分类上，是育种实践中用于鉴定籼、粳品种的主要方法。

吴建利等[6]对13个不同类型的亲本和48个亚种间组合按程氏指数法进行分类，结果表明，12个亲本的分类结果与选材时划分是一致的，亚种间F1可以划分为4类，即粳、偏粳、籼和偏籼，但主要以偏粳和偏籼为主，亲本细胞质对分类的影响非常明显。于亚辉等[7]利用程氏指数法对北方粳型两系杂交水稻骨干亲本（7个光温敏核不育系以及对应的7个恢复系）及其配制的49个杂交组合为材料进行分类，光温敏核不育系程氏指数分布为13.5～19.0，平均值为15.8，不育系的程氏指数变异系数相对较小，不育系籼粳成分主要集中体现为偏粳和粳型；恢复系的程氏指数分布为13～22，平均值为18，主要表现为偏粳和粳型；杂种的程氏指数分布为9～22，平均值为16，杂种籼粳成分主要偏粳，但变异系数较大，组合间籼粳成分差异比较明显。根据程氏指数法分析甬优6号等8个杂交水稻组合及其亲本的籼粳属性的结果表明，甬优系列杂交水稻的母本都属于粳稻，其父本均属于籼稻或偏籼，所配组的组合本身则分别属于偏籼或偏粳[8]，可以明确甬优系列杂交稻组合属籼粳亚种间杂交稻。程氏指数法在籼粳分类上得到众多学者的认可，多数国内学者认为程氏指数分类法对籼粳进行分类是科学合理的。

2 分子标记分类

水稻全基因组序列特别是籼稻品种（93-11）和粳稻品种（日本晴）全基因组DNA序列测定的完成，为水稻遗传育种研究提供了大量的生物信息，也为水稻育种材料籼粳属性鉴定方法的建立提供了重要的工具。分子标记分类法是基于DNA序列差异进行分类，它不受环境条件影响，分类结果可靠性较高。上世纪80年代中期限制性片段长度多态性（RFLP）标记开始应用于水稻遗传研究，钱惠荣等[9]应用160个RFLP标记分析了21个水稻广亲和品种和6个籼粳测验种，得到了24个籼粳特异性RFLP标记。目前被用于水稻籼粳分类研究较多的分子标记是简单重复序列（SSR）标记和插入/缺失片段（InDel）标记。

朱作峰等[10]用20对SSR引物对4个不育系和55份来自不同生态型的恢复系进行分类研究，结果表明，供试材料DNA籼粳分化明显，聚类分析结果和用RFLP对供试材料的籼粳分类结果基本一致，而且二者与形态分类的结果也基本一致，并筛选出5个籼粳特异的分子标记。陆永法等[11]用22个SSR分子标记对13份甬优系列杂交水稻组合及其亲本材料和6份籼粳对照种进行聚类分析，分子标记分析结果与形态分类结果基本一致，从分子水平上进一步确认了杂交水稻甬优6号和甬优4号为籼粳亚种间杂交稻。王彩红等[12]选取具有代表性的100份亚洲栽培稻品种，应用程氏指数和109个SSR分子标记对它们进行分类，结果表明，程氏指数与SSR分子标记进行栽培稻分类存在明显的正相关，两种方法各个材料间遗传距离的相关达极显著水平，表明利用一定数量的籼粳特异性较高的形态性状能够有效鉴别籼稻和粳稻亚种。遗传结构和聚类分析表明，在籼粳亚种水平上，程氏指数和SSR标记分类结果趋于一致，但在亚种内亚结构分析中，程氏指数偏差较大，SSR标记具有更高的准确性。

蔡星星等[13]基于籼稻9311和粳稻日本晴全基因组序列比对获得的InDel差异片段设计了45对引物，对来自亚洲10个国家的49份籼稻、43份粳稻品种和24份野生稻进行了检验，结果表明，其中41对InDel引物可用于鉴定籼稻或粳稻品种，准确率高于80%。卢宝荣等[14]用44个经过程氏指数法鉴定的籼稻和粳稻品种作为实验群体，确定了与栽培稻的籼、粳遗传分化密切相关的34个InDel位点，提出了鉴定籼粳属性的InDel分子指数法（表2）。与基于形态特征鉴定籼、粳特性的程氏指数法相比，该方法不仅能够准确鉴定籼稻和粳稻，而且还具有更快捷、简便和高效的特点。

夏士健等[15]利用与栽培稻籼、粳遗传分化密切相关的34个InDel标记，鉴定了部分水稻不育系的籼粳属性，结果表明目前广泛应用于生产的不育系培矮64S、广占63S、Y58S等的籼型基因频率均为0.75～0.90，据此认为具有10%～25%左右粳稻血缘的籼型不育系可能更有利于亚种间杂种优势利用。姚国新等[16]利用734对SSR标记和34对InDel标记分别对籼粳杂交后代材料进行籼粳成分鉴定，结果2套标记鉴定结果较为吻合，证明该套InDel标记完全可以用于水稻籼粳成分的快速准确鉴定。王林友等[17]利用19对InDel标记对48份育种上常用的籼稻、粳稻和中间型材料（品种）进行了籼粳属性分析。结果表明，InDel分子标记法与传统的程氏指数法的总体吻合率为89.58%，在典型籼稻或典型粳稻材料上两者的吻合率为100.00%；在具有复杂遗传背景的中间型材料上，InDel分子标记法比程氏指数法具有更高的准确性。陈萍萍等[18]利用形态指数法和分子标记法籼粳属性鉴定了通过籼粳杂交培育的9个水稻品系，结果表明形态指数法的鉴定结果与分子标记的遗传距离聚类分析结果一致。多数研究结果表明，InDel标记法对复杂材料的籼粳鉴定具有更高的分辨力和准确度，但也有研究证明InDel标记在亚种内多态性较低。

育种材料的属性分类应根据其遗传背景的复杂程度及研究目的而采用不同的方法，程氏指数法适用于遗传背景相对简单的典型籼或粳型材料籼粳属性的分类，InDel分子指数法适用于遗传背景复杂的亚种间籼粳材料的分类，而对亚种内育种材料的籼粳比例的定量分析，则适宜用SSR标记进行分析。

3 水稻籼粳分类与杂种优势的关系

对杂种优势与双亲籼粳分化的相关关系分析表明[19]，超亲优势与双亲的籼粳分化关系明显，且DNA水平上的差异与超亲优势的相关系数明显大于形态指数的差异与超亲优势间的相关系数，说明以双亲在基因组上的差异来研究或预测杂种优势要优于表型性状。分析优势组合类型和强优势组合双亲的形态指数的差异发现，双亲要么在形态上籼粳分化差异较大，要么是在DNA上的籼粳分化的差异较大，要么是在形态和DNA上差异均大，说明无论是形态上籼粳分化的差异，还是基因组上籼粳分化的差异，都是杂种优势产生的重要基础。王林友等[20]研究了InDel遗传距离与杂种优势的相关性，结果表明，在以粳粳交、籼粳交组合整体作为分析对象时，InDel遗传距离与稻谷产量、每穗总粒数、单穗重呈极显著正相关，与结实率呈显著负相关；仅以籼粳交组合为研究对象时，InDel遗传距离仅与单穗重和千粒重呈显著正相关。说明InDel遗传距离在不同类型品种间具有较好的杂种优势预测能力，可用于单穗重的优势预测，即随着InDel遗传距离的扩大，杂种优势主要体现在单穗重的增加上。

因此，对水稻品种进行籼粳成分分析，能够准确判别品种的籼粳属性，明确杂种优势利用中籼粳分化配比问题，分析双亲遗传差异对主要性状杂种优势的影响，对水稻杂种优势的遗传研究以及育种工作都具有重要意义。

参考文献：

[1] 袁隆平.杂交水稻的育种战略设想[J].杂交水稻，1987（1）：1-3.

[2] 程式华，廖西元，闵绍楷.中国超级稻研究：背景、目标和有关问题的思考.中国稻米，1998（1）：3-5.

[3] 肖国樱，袁隆平，唐俐，等.水稻籼爪交和粳爪交杂种优势的研究I.杂种农艺性状的表现[J].作物学报，2003，29（2）：169-174.

[4] 马荣荣，王晓燕，陆永法，等.晚粳不育系甬粳2号A及其籼粳杂交晚稻组合的选育及应用[J].杂交水稻，2010（S1）：185-189.

[5] 王象坤，程侃声，黄迺威，等.亚洲栽培稻起源、演化中两个重要稻种类型的研究[J].遗传学报，1987，14（4）：262-270.

[6] 吴建利，李振宇.水稻亚种间杂种的分类与利用[J].杂交水稻，1993（5）：33-35.

[7] 于亚辉，孙滨，夏明，等.利用程氏指数分析两系杂交粳稻亲本籼粳成分与产量及其构成因素的关系[J].江苏农业科学，2014，42（1）：61-63.

[8] 陆永法.甬优系列籼粳杂交水稻新组合特征特性与配套技术研究[D].杭州：中国农业科学院水稻研究所，2012.

[9] 钱惠荣，沈波，林鸿宣，等.水稻釉粳特异性RFLP标记及广亲和品种亲缘关系分析[J].中国水稻科学，1994，8（2）：65-71.

[10] 朱作峰，孙传清，李自超，等.用SSR标记对水稻品种的分类研究[J].农业生物技术学报，2001，9（1）：58-61.